Proyecto FONDEF DOI 1034: Aeroplataforma Globo Antena como base de un Sistema de Radiocomunicación Digital para Redes Inalámbricas IP

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1 Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Mecánica Departamento de Ingeniería Eléctrica Proyecto FONDEF DOI 1034: Aeroplataforma Globo Antena como base de un Sistema de Radiocomunicación Digital para Redes Inalámbricas IP Factibilidad técnica y operacional de un sistema de abastecimiento energético Informe Final Preliminar Equipo de trabajo: Prof. Dr.-Ing. Carlos Gherardelli D. Prof. Dr.-Ing. Rodrigo Palma B. Srta. Mariana Villegas Sr. Rodrigo De la Castilleja Sr. Felipe Lineo Sr. Manuel Vargas 7 de Diciembre, 2005

2 RESUMEN En el presente documento, correspondiente al informe final preliminar del proyecto, se entregan los resultados de la investigación y el desarrollo llevado a cabo por el equipo de trabajo de los Departamentos de Ingeniería Civil Eléctrica y Mecánica de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la U. de Chile, en el marco del proyecto FONDEF DOI 1034: Aeroplataforma Globo Antena como base de un Sistema de Radiocomunicación Digital para Redes Inalámbricas IP. El objetivo definido para este equipo es investigar la factibilidad técnica y operacional de un sistema de abastecimiento energético para alimentar a los equipos de comunicación, navegación y seguridad instalados en la aeroplataforma. Para lograr este objetivo se trabajó en un prototipo a nivel de laboratorio. Se desarrolló un sistema de abastecimiento compuesto de fuentes de abastecimiento, fuentes de almacenamiento y un control inteligente del sistema. Como fuente de abastecimiento energético principal se consideró el uso de paneles fotovoltaicos con celdas de combustibles como fuente de abastecimiento secundario. Para el almacenamiento energético se consideró el uso de baterías Li--ion. El consumo del prototipo se fijó en 25 Wh con niveles de voltaje de 12 y 24 Volt. Las distintas fuentes de energía fueron caracterizadas operacional y técnicamente. Se diseñaron y construyeron equipos para la carga de baterías, para maximizar la transferencia de potencia desde los paneles fotovoltaicos y Step-Up s (conversores de subida) para adecuarse a los voltajes de los consumos. Todos estos equipos fueron diseñados pensando en reducir el peso de estos ya que esta es una variable crítica para la aeroplataforma. Se realizó un análisis de escalabilidad del sistema para un consumo de 1 kwh a modo de dimensionar los requerimientos del sistema de abastecimiento energético pensando en la segunda fase del proyecto. El concepto de energización desarrollado se considera validado. Queda por verificar la disponibilidad de estanques de almacenamiento de mayor densidad energética para el hidrógeno, lo que permitiría transportar una reserva de energía para el sistema compatible con el peso máximo permitido para el sistema de energización. Los equipos desarrollados se encuentran operativos en el laboratorio de la Universidad de Chile asignado al proyecto.

3 I N D I C E 1 INTRODUCCION OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: OBJETIVOS ESPECÍFICOS: METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO ALCANCES DISEÑO CONCEPTUAL DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO ENERGETICO CARATERIZACION DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO PANELES FOTOVOLTAICOS DISEÑO EXPERIMENTAL PRUEBAS DE EFICIENCIAS DE CONVERSIÓN PRUEBAS CONEXIÓN SERIE - PARALELO Y EFECTO SOMBRA PRUEBAS DE POSICIÓN DE PANELES SOBRE EL GLOBO PRUEBAS DE LA INFLUENCIA DEL RADIO DE CURVATURA RESULTADOS DISCUSIÓN PROBLEMAS ENCONTRADOS CONCLUSIONES CELDA DE COMBUSTIBLE DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA ABASTECIMIENTO MODELO DE DISTRIBUCIÓN DE RADIACIÓN SOLAR MODELO DE RADIACIÓN DISTRIBUCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR SOBRE LA SUPERFICIE DEL CILINDRO RADIACIÓN SOLAR SOBRE LA SUPERFICIE DEL CILINDRO MODELO DE GENERACIÓN DE POTENCIA BANCO DE BATERÍAS Y CELDA DE COMBUSTIBLE DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA ENERGÉTICO ESCALAMIENTO DEL SISTEMA DISCUSIONES CONCLUSIONES CARATERIZACION DE LAS FUENTES DE ALMACENAMIENTO... 42

4 5.1 BATERÍAS DE LI-ION ANEXOS CARACTERÍSTICAS EQUIPOS PANELES SOLARES FLEXIBLES POWER TRACKER BOTELLA DE HIDRÓGENO BATERÍAS LI-ION ANÁLISIS DE LAS VARIABLES ATMOSFÉRICAS EN ALTURA TEMPERATURA VELOCIDAD DEL VIENTO RADIACIÓN SOLAR DISCUSIONES CONCLUSIONES MODELO RADIACIÓN SOLAR DE PERRIN DE BRICHAMBAUT CONCEPTOS GEOMÉTRICOS Y VARIABLES MODELO DE PERRIN DE BRICHAMBAUT ENERGÍA ALMACENADA EN EL ESTANQUE DE H ALGORITMOS CONTROLADOR DE PANELES SOLARES STEP-DOWN STEP-UP CARGADOR DE BATERÍAS PLANOS ESTRUCTURA DE PRUEBAS... 95

5 1 INTRODUCCION El Proyecto FONDEF DOI 1034: Aeroplataformas: Globo Antena Como base de un Sistema de Radiocomunicación Digital para Redes Inalámbricas IP consiste en desarrollar una aeroplataforma del tipo globo-antena capaz de distribuir señales radioeléctricas para comunicaciones digitales de banda ancha fija/móvil, permitiendo reducir la brecha digital entre sectores desatendidos y centros urbanos. En este proyecto participan la Universidad Tecnológica Metropolitana, la Universidad de la Frontera y la Universidad de Chile. El proyecto es desarrollado en dos etapas, Fase I y Fase II. La Fase I consiste en una plataforma aérea anclada a tierra; la Fase II, en una aeroplataforma autónoma sin ningún tipo de anclaje. La participación de la Universidad de Chile se centra en diseñar a nivel de prototipo el sistema de abastecimiento energético inteligente de esta aeroplataforma globo-antena de telecomunicaciones enfocado a la Fase II del proyecto, asunto en el cual participan los departamentos de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Eléctrica en conjunto. Luego del pertinente estudio del problema a solucionar y del análisis de diferentes fuentes energéticas, se determinó el uso de paneles solares fotovoltaicos, como la fuente principal de abastecimiento energético, apoyado en un banco de baterías de Li-ion para almacenar energía a utilizarse en horas de la noche y por celdas de combustible que suplieran una circunstancial ausencia de sol prolongada. Se realizaron pruebas a paneles solares, se fabricó una plataforma de pruebas para este fin y se desarrollaron algoritmos computacionales basados en un modelo de radiación solar para dimensionar el sistema. El diseño y dimensionamiento del sistema energético se realizó poniendo énfasis en disminuir al máximo posible el peso de éste. 1.1 Objetivos A continuación se especifican el objetivo general y objetivos específicos del proyecto Objetivo General: El objetivo general de esta parte del proyecto es conocer la factibilidad técnica y operacional de un sistema de abastecimiento energético que integre distintas alternativas tecnológicas.

6 1.1.2 Objetivos específicos: Para cumplir el objetivo general se realizaron los siguientes objetivos específicos: Disponer de un diseño conceptual del sistema de abastecimiento energético. Alcanzar una caracterización técnica y operacional de las distintas alternativas de abastecimiento en forma individual. Alcanzar una Caracterización técnica y operacional de las alternativas de almacenamiento energético existentes en el mercado. Disponer de un diseño de un sistema electrónico inteligente capaz de administrar las distintas fuentes de abastecimiento, el sistema de almacenamiento y el suministro energético. Disponer de un diseño de un sistema de monitoreo del comportamiento del sistema de abastecimiento energético. Permitir la integración y prueba del sistema conjunto. Disponer de un modelo para el dimensionamiento del sistema de abastecimiento energético.

7 1.2 Metodología de Investigación y Desarrollo La operación adecuada, confiable y continua de las aeroplataformas requiere de un sistema de abastecimiento energético que opere en forma autónoma, confiable y bajo condiciones de operación y requerimientos variables. Las alternativas tecnológicas consideradas en esta etapa del diseño del sistema son: Placas fotovoltaicas, Celdas combustibles. Se han considerado estos dos tipos de tecnologías de acuerdo los recursos energéticos esperados en los lugares de operación de las aeroplataformas y las restricciones de confiabilidad necesarias para una operación continua de estas bajo condiciones variables de operación, tanto diarias como estacionales. Cada una de estas alternativas fueron estudiadas y caracterizadas operacionalmente en forma individual e integradas en un sistema conjunto. Debido a que los consumos energéticos para el esquema futuro de operación autónoma no se encuentran claramente definidos aún, se trabajó con un sistema a escala en el Laboratorio, donde es posible realizar un seguimiento operacional bajo condiciones de funcionamiento variables y controladas a modo de simular las condiciones de operación reales del sistema. Adicionalmente, se discutió la pertinencia del uso de energía eólica, la que fue descartada por el momento por la dificultad de ser integrada a la plataforma. Se define para esta etapa diseñar por lo tanto un sistema de abastecimiento de energía eléctrica capaz de proveer en forma continua requerimientos variables bajo condiciones de operación también variables. La operación de este sistema debe ser supervisada y controlada en forma permanente a través de un sistema de monitoreo y control el cual también será diseñado y construido como parte del proyecto. El sistema de abastecimiento tiene como objetivo abastecer un sistema de almacenamiento que proporcionará la energía a los equipos de comunicación de la aeroplataforma. Para el banco de baterías se investiga la factibilidad de utilización de los distintos tipos de baterías existentes. En particular, y dadas las restricciones de peso de las aeroplataformas, se debe investigar las baterías de alto rendimiento e intensidad energética como por ejemplo las baterías Ion-Litio. La carga y descarga de baterías debe ser controlada por un regulador de carga especializado. Dado que es posible que se requiera del suministro en distintos niveles de voltaje en corriente continua, debe considerarse además el desarrollo de un conversor DC-DC de varias salidas ajustado a los requerimientos de los consumos. Además, corresponde analizar la operación del banco de baterías bajo condiciones climáticas adversas, en particular a bajas temperaturas. De ser

8 necesario se deberá considerar la integración de un sistema de calefacción para la correcta operación de la unidad. Tanto el sistema de abastecimiento como el de almacenamiento deben ser diseñados de acuerdo con un compromiso de capacidad, calidad, peso y confiabilidad. Ambos sistemas serán diseñados y probados el los laboratorios de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. El trabajo de caracterización de las distintas fuentes de abastecimiento y almacenamiento energético y el del desarrollo de los distintos elementos electrónicos fue desarrollado en forma paralela. 1.3 Alcances Los alcances en esta fase del proyecto se limitan al diseño y construcción del sistema de abastecimiento energético a nivel de prototipo en los laboratorios de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Lo anterior se justifica ya que todo el proyecto se desarrolla en forma paralela y no se conocen: a) las dimensiones finales de la aeroplataforma. Esto limita la superficie para instalar paneles fotovoltaicos y la capacidad de carga del globo; b) consumos energéticos ni los niveles de voltaje de los distintos equipos del sistema de comunicación; c) consumos energéticos de los equipos de navegación de la aeroplataforma; d) comportamiento diario y estacional de carga y por lo tanto de los requerimientos energéticos de los equipos de comunicación. e) Necesidad de probar distintas alternativas tecnológicas que implicaría incurrir en costos innecesarios al trabajar a escala real. Para el diseño del sistema de abastecimiento se consideró un consumo promedio constante de 25 Wh y niveles de voltaje de 12 y 24 V. Sin perjuicio de lo anterior, con los resultados obtenidos en esta fase del proyecto se realizó el dimensionamiento del sistema de abastecimiento energético para un consumo promedio constante de 1000 Wh a diferentes alturas de operación y tamaños de la aeroplataforma.

9 2 DISEÑO CONCEPTUAL DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO ENERGETICO El diseño conceptual del sistema de abastecimiento energético se compone de los siguientes componentes: a) fuentes de abastecimiento energético; b) fuentes de almacenamiento energético; c) sistema de control de carga; d) cargador de baterías e) convertidores DC-DC La figura 2.1 presenta, en forma esquemática, el sistema de abastecimiento energético. Figura 2.1: Esquema del sistema de abastecimiento energético En el Anexo 6 se entrega un detalle del sistema de abastecimiento energético desarrollado. Dada las condiciones de operación del globo, el sistema de abastecimiento se diseñó basado en la utilización de celdas fotovoltaicas como fuente principal de abastecimiento energético. Esta elección se basa en el aprovechamiento de la superficie de la aeroplataforma para capturar la radiación proveniente del sol y transformarla en energía eléctrica y en la altura de operación final de ésta, que se encuentra sobre el límite de las nubes. Otras ventajas que presenta este tipo de tecnología son:

10 a) No requieren de mantenimiento; b) No requieren de combustible, lo que disminuye el volumen y peso asociados a éstos; c) No presentan costos de operación; d) Es una energía limpia. El dimensionamiento del sistema de paneles fotovoltaicos abastecimiento se realizó para las condiciones más críticas de operación, que corresponde a las condiciones de radiación que se encuentran en la estación de invierno. Como sistema de respaldo o apoyo se diseñó y construyó un sistema basado en celdas de combustible. La celda de combustible se alimenta con hidrógeno proveniente de un cilindro de almacenamiento. A pesar de que las celdas de combustible son muy eficientes (cerca del 50%) y su relación peso-potencia es muy baja, se debe considerar la necesidad de un sistema de almacenamiento de hidrógeno, el cual puede elevar considerablemente el peso del conjunto. Se desecharon otras posibles fuentes de abastecimiento energético consideradas originalmente. Para el sistema de almacenamiento se consideró finalmente baterías de Litio-ion debido a que presentan una mayor densidad energética lo que se traduce en un menor peso en baterías. El dimensionamiento de este banco de baterías se basa en: a) Cantidad de horas a abastecer durante la noche y b) Cantidad de días seguidos sin sol (muy cubiertos o con lluvia) en que los paneles solares no sean capaces de generar energía. El sistema de control es el encargado de suministrar energía en forma eficiente e inteligente a los equipos de comunicación instalados en la aeroplataforma. Este sistema cuenta además con una serie de dispositivos electrónicos que permiten el adecuado funcionamiento de cada una de los bloques del sistema.

11 3 CARATERIZACION DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO 3.1 Paneles fotovoltaicos En esta sección se presenta las pruebas realizadas para caracterizar el comportamiento de los paneles fotovoltaicos en forma individual y conjunta. Estas pruebas tienen como objetivo determinar la eficiencia de conversión bajo distintas condiciones de operación, el posicionamiento óptimo en la superficie del globo y la forma de conexión más adecuada. Dado que la superficie del globo es curva, se construyó una plataforma de pruebas que simula la superficie del globo. La plataforma de pruebas permite el giro sobre el eje azimutal y una variación del radio de curvatura. La elección de los paneles solares utilizados en las pruebas se basó en los requerimientos reales del sistema. Estos requerimientos son: paneles solares flexibles (para posicionarlos cómodamente sobre el globo) y de bajo peso, priorizando por aquellos de mayor energía específica (Wh/kg) existentes en el mercado. En el Anexo 1 se encuentra una tabla comparativa con los paneles solares existentes en el mercado. Se optó por adquirir dos tipos de paneles de distinta potencia y fabricante para poder realizar además comparaciones entre estos. La adquisición tuvo además restricciones de disponibilidad de éstos en el mercado. Los paneles fotovoltaicos adquiridos son: a) 4 paneles Global Solar P3-30, de 30 W; b) 4 paneles Unisolar FLX-11, de 10.3 W. Las dimensiones y características de cada uno de estos paneles se presentan en la tabla 3.1. Los Data Sheet respectivos se encuentran en el Anexo 1. Tabla 3.1: Características paneles solares adquiridos Característica/ Panel Global Solar P3-30 Unisolar FLX-11 Pot. Peak [W] Voltaje nominal [V] Superficie [m 2 ] Peso [kg] Material semiconductor CIGS Silicio Amorfo Se debe mencionar que los paneles solares flexibles de material amorfo con que se cuenta presentan eficiencias nominales de conversión mucho menores a paneles rígidos mono cristalinos (5% máx. v/s 13% máx., aproximadamente), pero cumplen con los requerimientos de flexibilidad y bajo peso necesarias para la aplicación.

12 3.1.1 Diseño Experimental El objetivo general de las pruebas experimentales realizadas a los paneles fotovoltaicos es determinar la forma de conexión y posición de los paneles sobre el globo de manera de optimizar la potencia eléctrica generada por los paneles. Los objetivos específicos de las pruebas experimentales son: a) determinar la eficiencia de conversión de los distintos paneles fotovoltaicos en forma individual y conjunta bajo distintas condiciones de operación; b) determinar el posicionamiento óptimo de los paneles en la superficie del globo; c) determinar la forma de conexión más adecuada; d) analizar el efecto sombra en el comportamiento de los paneles. Como se mencionó anteriormente fue necesario construir una plataforma de pruebas que simula la superficie del globo. La figura 3.1 presenta una foto de la plataforma de pruebas. Los planos de esta se encuentran en el anexo 7. Figura 3.1: Fotografía de la plataforma de pruebas

13 La plataforma fue instalada en la azotea del edificio donde se encuentra el laboratorio, para evitar así la presencia de sombras durante todo el día. La figura 3.2 muestra, en forma esquemática, el montaje experimental utilizado. Para la realización de las pruebas y experimentos se utilizaron los siguientes equipos: a) Estructura de pruebas y paneles solares. b) Cable doble para 10 A, para la prueba simultánea de dos configuraciones diferentes. c) Interruptor, para la prueba simultánea de dos sistemas diferentes. d) Power Tracker OutBack MX-60, equipo encargado de operar en el punto de máxima transferencia de potencia de los paneles solares. Este equipo, adquirido en el marco del proyecto, necesita al menos una batería para realizar su trabajo ya que no alimenta directamente los consumos. Su Data Sheet se encuentra en el Anexo 1. Es importante mencionar que paralelamente se desarrolló un dispositivo electrónico con características similares a las de esta solución comercial. De esta forma fue posible contrastar los resultados del sistema de control realizado. e) Batería de plomo ácido, la cual es cargada por el Power Tracker, ayudando a encontrar el punto de máxima potencia de los paneles. Si ésta se carga completamente, el Power Tracker deja de cargarla, por lo que no consume potencia. f) Sistema de carga constituido por un banco de ampolletas. Éste se conecta directamente a la batería con el fin de evitar que esta última se cargue completamente. Sistema de adquisición de datos desarrollado en el ambiente de trabajo LabView de Nacional Instruments.

14 Figura 3.2: Esquema del montaje experimental realizado. La plataforma de pruebas y los paneles solares se instalaron en la azotea del Edificio del Dpto. de Ingeniería Eléctrica, con el fin de evitar la presencia de sombras. El registro de los datos se llevó a cabo en el 4 piso del Edificio de Electrotecnologías, por lo que fue necesario desplegar un cable de 50 metros entre estas dos locaciones. El interruptor switch permite realizar mediciones simultáneas de dos sistemas de paneles, ya que además el cableado es doble. El Power Tracker recibe a través de los conductores la energía eléctrica de los paneles y carga la batería. La potencia que el Power Tracker recibe es registrada en un computador mediante la plataforma computacional LabView, la que permite visualizar y controlar datos experimentales a través de lecturas de voltaje. Para esta aplicación fue necesario desarrollar una interfase gráfica. La figura 3.3 muestra la interfase creada.

15 Figura 3.3: Interfase creada en LabView para el registro de datos de los paneles solares Se registraron los valores de corriente y voltaje de los paneles cada 30 segundos, marcando la hora y fecha de la medición. El registro de los datos también se realizó a través de LabView y fueron almacenados en archivos de texto (.dat). Para la clasificación de las experiencias realizadas se utilizó la simbología mostrada en la tabla 3.2. Tabla 3.2: Simbología utilizada en las pruebas realizadas Símbolo Significado M U N Paneles Global Solar P3-30, 30 W Paneles Unisolar FLX-11, 10.3 W Paneles sobre superficie delantera de la estructura de pruebas S Paneles sobre superficie trasera de la estructura de pruebas C Az H V - - Conexión en serie // Conexión en paralelo & Paneles sobre parte superior de la estructura de pruebas Azimut de la estructura Panel en posición horizontal Panel en posición vertical En la figura 3.4 se explican algunos de los parámetros asociados a la simbología utilizada.

16 Figura 3.4: Explicación de la simbología utilizada para la clasificación y registro de las pruebas Pruebas de Eficiencias de Conversión Los fabricantes de paneles fotovoltaicos entregan la potencia la potencia que genera su producto bajo condiciones estándar que corresponden a una radiación solar de 1000 W/m 2 y una temperatura de 25 C, lo que se traduce en un valor de eficiencia característica de éste (potencia generada/potencia recibida del sol). Teóricamente la eficiencia debiera mantenerse para cualquier valor de radiación solar que se tenga. La eficiencia nominal de los paneles Global Solar P3-30 y de los Unisolar FLX-11 es 4% y 5%, respectivamente. La prueba respectiva a esta comparación de eficiencias consiste en medir la potencia generada por cada uno de los paneles, apoyados sobre una superficie plana (de ángulo de inclinación 0 ), registrando simultáneamente la hora de la medición. Los datos así registrados son comparados con datos de radiación solar incidente a esa misma hora para determinar la eficiencia. Los datos de radiación incidente fueron proporcionada por el DGF (Departamento de Geofísica) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la U. de Chile, el cual realiza un monitoreo continuo de la radiación solar incidente. Esta prueba se realizó para diferentes valores de radiación solar (ver Tabla 3.3). El ángulo de inclinación determina diferentes valores de radiación.

17 Tabla 3.3: Pruebas de eficiencia de paneles Global Energy P3-30 y Unisolar FLX- 11 Prueba Objetivo 1U v/s 1M con ángulo de Comparar eficiencias de las dos marcas de inclinación 0 paneles solares a diferentes radiaciones 1U v/s 1M con ángulo de Comparar eficiencias de las dos marcas de inclinación 15 paneles solares a diferentes radiaciones 1U v/s 1M con ángulo de Comparar eficiencias de las dos marcas de inclinación 45 paneles solares a diferentes radiaciones 1U v/s 1M con ángulo de Comparar eficiencias de las dos marcas de inclinación 75 paneles solares a diferentes radiaciones Por otro lado, existe la interrogante de cuál de los dos tipos de paneles entrega más potencia por unidad de área. Para ello se diseñaron las pruebas presentadas en la tabla 3.4. Tabla 3.4: Pruebas comparación entre los diferentes tipos de paneles Prueba Objetivo 3U v/s 1M, verticales, azimut 0 Comparar potencia/área de las dos marcas 3U v/s 1M, horizontales, azimut 0 Comparar potencia/área de las dos marcas 3 U v/s 1M, verticales, azimut 45 Comparar potencia/área de las dos marcas para otro valor de radiación 3U v/s 1M, verticales, azimut 90 Comparar potencia/área de las dos marcas para otro valor de radiación 3U v/s 1M, verticales, azimut 135 Comparar potencia/área de las dos marcas para otro valor de radiación 3U v/s 1M, verticales, azimut 180 Comparar potencia/área de las dos marcas para otro valor de radiación Pruebas Conexión Serie - Paralelo y Efecto Sombra Al conectar en serie dos paneles solares se suman los voltajes de éstos y la corriente del sistema corresponde a la menor corriente que está pasando por cualquiera de ellos. Al contrario, si dos paneles se conectan en paralelo, las corrientes se suman y el voltaje se mantiene (se impone por la conexión). Como la radiación solar incidente no es homogénea sobre la superficie del cilindro, el tipo de conexión entre paneles puede ser determinante en cuanto a generación de potencia se refiere. Las pruebas conexión serie-paralelo y efecto sombra tuvieron como fin determinar qué tipo de conexión permite generar mayor cantidad de energía eléctrica según la posición de los paneles sobre el globo, considerando su geometría curva. Fue necesario establecer el comportamiento de sistemas fotovoltaicos compuestos por más de un panel solar sometidos a diferentes condiciones de radiación solar y

18 efectos de sombra. Las pruebas realizadas se muestran en la tabla 3.5 junto con los objetivos de éstas. Tabla 3.5: Pruebas conexión serie-paralelo Prueba Objetivo 2M V N Az0 - - v/s 2M V N Az0 // Comparar tipo de conexión en iguales condiciones de radiación solar para paneles en posición vertical 2M H N Az0 - - v/s 2M H N Az0 // Comparar tipo de conexión en iguales condiciones de radiación solar para paneles en posición horizontal 1M V N Az M V S Az0 v/s Comparar tipo de conexión cuando las 1M V N Az0 // 1M V S Az0 condiciones de radiación son diferentes para 1M H N Az M H S Az0 v/s 1M H N Az0 // 1M H S Az0 2M V N Az0 - - // 2M V S Az M V N Az0 // - - 2M V S Az0 // 2M V N Az0 // 2M V S Az0 2M V N Az0 - -: (sombra de 0, 30 y 50%) 2M V N Az0 // : (sombra de 0, 30 y 50%) dos paneles verticales Comparar tipo de conexión cuando las condiciones de radiación son diferentes para dos paneles horizontales Probar arreglo de 4 paneles, con conexión serie o paralelo según diferencia de radiación recibida por los paneles Probar arreglo de 4 paneles, con conexión serie o paralelo según diferencia de radiación recibida por los paneles Probar potencia generada por un arreglo de 4 paneles conectados en paralelo, algunos recibiendo radiación directa y otros difusa Comparar potencia generada por 2 paneles en serie expuestos completamente a radiación con arreglo expuesto a sombras Comparar potencia generada por 2 paneles en paralelo expuestos completamente a radiación con arreglo expuesto a sombras Pruebas de Posición de Paneles sobre el Globo Ya que los paneles solares serán colocados sobre una superficie curva, éstos no recibirán de forma homogénea la radiación solar. Esto se puede ver intensificado según se coloquen en forma horizontal o vertical al cilindro, razón por la cual fue necesario el diseño de pruebas que permitiesen dilucidar qué posición es mejor en cuanto a la obtención de energía eléctrica. Las pruebas de posición se muestran en la tabla 3.6.

19 Tabla 3.6: Pruebas de posición vertical y horizontal de paneles Prueba Objetivo 2M H S // v/s 2M V S // Comparar paneles en posición vertical y horizontal en condiciones de radiación difusa 2M H N // v/s 2M V N // Comparar paneles en posición vertical y horizontal en condiciones de radiación directa 2M H N // 2M H S v/s 2M V S // 2M Comparar arreglos de paneles en V N posición vertical y horizontal Pruebas de la Influencia del Radio de Curvatura La plataforma de pruebas diseñada y fabricada permite probar los paneles para distintos radios de curvatura. Esto a su vez permite simular cilindros de distinto tamaño y observar el aumento o disminución de potencia que esto implica Resultados Resultados Pruebas de Eficiencia de Conversión La tabla 3.7 muestra los resultados relativos a la eficiencia de los dos tipos de paneles solares para diferentes magnitudes de radiación incidente y la tabla 3.8 los resultados de la comparación entre los distintos paneles.

20 Tabla 3.7: Resultados obtenidos de las pruebas de eficiencia de conversión Prueba Potencia [W] Radiación [W/m2] Eficiencia [%] 1U, condiciones nominales M, condiciones nominales U, ángulo inclinación M, ángulo inclinación U, ángulo inclinación M, ángulo inclinación U, ángulo inclinación M, ángulo inclinación U, ángulo inclinación M, ángulo inclinación Tabla 3.8: Resultados de la comparación entre paneles Prueba Potencia [W] 3 U verticales, azimut M vertical, azimut U verticales, azimut M vertical, azimut U verticales, azimut M vertical, azimut U verticales, azimut M vertical, azimut U verticales, azimut M vertical, azimut U horizontales, azimut M horizontal, azimut 0 17 De las Tablas anteriores se puede ver que los paneles Unisolar FLX-11 entregan mayor potencia por unidad de área de panel que los Global Solar P3-30. Se aprecia además que los primeros mantienen su eficiencia nominal dentro de un rango aceptable para cualquier magnitud de radiación solar. Para los paneles Global Solar P3-30 no ocurre. Por otro lado, estos últimos entregan mayor potencia por unidad de peso. Por esta razón, a pesar de ser los Unisolar FLX-11 más eficientes que los P3-30, se debe optar por los más livianos, ya que es un criterio de diseño crítico. Las Figuras 3.5 y 3.6 presentan el peso de los paneles fotovoltaicos en función de la potencia instalada para una radiación incidente de 600 y 1000 W/m2 respectivamente. Se aprecia que los paneles solares Global Solar P3-30 tienen un peso inferior a los paneles Unisolar FLX-11.

21 Figura 3.5: Peso en paneles en función de la potencia instalada para una radiación solar incidente de 600 W/m 2. Figura 3.6: Peso en paneles en función de la potencia instalada para una radiación solar incidente de 1000 W/m 2. Resultados pruebas de conexión Serie-Paralelo y efecto sombra La Tabla 3.9 presenta los resultados obtenidos de las pruebas del tipo de conexión y posición relativa sobre el globo (vertical u horizontal). Se puede apreciar que en iguales condiciones de radiación solar incidente ninguna de las dos variables anteriores influyen en la generación de los paneles.

22 Tabla 3.9: Pruebas conexión serie - paralelo Prueba Potencia obtenida [W] 2M V N Az M V N Az0 // M H N Az M H N Az0 // La Tabla 3.10 presenta los resultados obtenidos de las pruebas realizadas para determinar el comportamiento de distinta configuración de conexión bajo condiciones de sombra parcial y total. Los resultados muestran que la potencia generada decae en forma mucho más violenta para el caso de conexión en serie que para el caso de conexión en paralelo al aumentar el grado de sombreado de estos. Esto se probó mediante la conexión de dos paneles, uno mirando en dirección al sol y el otro en dirección contraria, como también privando de forma artificial a uno de los paneles solares. Lo anterior indica que un sistema fotovoltaico compuesto por paneles solares expuestos a diferentes magnitudes de radiación deben ser conectados en paralelo para maximizar la obtención de potencia. Además, la conexión en paralelo asegura robustez al sistema, puesto que en caso de que alguno de los componentes del sistema se viera circunstancialmente privado de radiación o sufriera algún desperfecto técnico, el sistema completo respondería de mejor forma que si estuviera conectado en serie. Tabla 3.10: Pruebas conexión serie-paralelo y efecto sombra Prueba Potencia [W] 1 U V N Az U V S Az U V N Az0 // 1U V S Az M V N Az M V S Az M V N Az0 // 1M V S Az M H N Az M H S Az M H N Az0 // 1M H S Az M V N Az M V N Az \% sombra 1 panel 9 2M V N Az \% sombra 1 panel 3 2M V N Az0 // 24 2M V N Az0 // 60\% sombra 1 panel 14 2M V N Az0 // 100% sombra 1 panel 14 Otra posibilidad es conectar en serie todos aquellos paneles posicionados de igual forma con respecto al sol, creando subsistemas de paneles conectados en serie y a su vez, conectar estos subsistemas en paralelo. Aunque ya se vio que la conexión en serie implica menos robustez del sistema, fue necesario realizar esta prueba para despejar cualquier tipo de dudas. Los resultados se muestran en la Tabla 3.11.

23 Tabla 3.11: Pruebas conexión serie-paralelo y efecto sombra Prueba Potencia [W] 2M V N Az0 - - // 2M V S Az M V N Az0 - - // 2M V S Az \% sombra 1 panel norte 9 2M V N Az0 - - // 2M V S Az \% sombra 1 panel norte 9 2M V N Az0 // 2M V S Az0 24 2M V N Az0 // 2M V S Az0 60 \% sombra 1 panel norte 15 2M V N Az0 // 2M V S Az0 100 \% sombra 1 panel norte 14 De la tabla anterior se aprecia claramente que el sistema conectado en serie es bastante menos robusto que cuando está conectado en paralelo. Aunque se ve que cuando se tienen subsistemas conectados en serie la potencia es algo mayor que al tener todos los paneles conectados en paralelo, esta diferencia no alcanza a ser significativa como para arriesgar conectar en serie, apostando a que nada en el sistema fallará. Es así como a partir de resultados experimentales se ha decidido conectar todos los paneles en paralelo entre sí, ya que este tipo de conexión asegura mayor robustez y al mismo tiempo no presenta diferencias significativas con la conexión en serie. Resultados Posición de Paneles sobre el Globo Los resultados de estas pruebas se encuentran en la tabla Se puede apreciar que la potencia generada no difieren demasiado al comparar sistemas de paneles verticales y horizontales. Sin embargo, es posible concluir que una configuración de paneles en posición horizontal genera mayor potencia. Tabla 3.12: Resultados pruebas de posicionamiento de paneles sobre el globo Prueba Potencia [W] 2 M H N // 21 2 M H N M H S // 2 2 M H N // 25 2 M H N // 2 M H S 28 2 M V N // 21 2 M V S // 2 2 M V S // 2 M V N 24 Resultados Pruebas Radio de Curvatura Los resultados de las pruebas de la incidencia del radio de curvatura de la aeroplataforma en la potencia generada se presentan en la tabla Estas pruebas fueron realizadas a las 13 hrs. de un día despejado, cambiando el azimut de la plataforma de pruebas.

24 Tabla 3.13: Efecto del radio de curvatura en la potencia generada Radio de curvatura [m] Azimut [ ] Potencia [W] Se puede notar de la tabla anterior que mientras mayor sea el radio de curvatura, mayor es la generación de potencia habiendo un mismo número de paneles solares (en este caso 4 paneles horizontales Global Solar P3-30). Esto indica que para aumentar la energía diaria generada se puede hacer a través de aumentar el radio de curvatura del globo que se tenga Discusión De acuerdo a los resultados vistos en la sección anterior se pueden tomar las siguientes decisiones preliminares en cuanto a la configuración de paneles sobre el globo. 1) La conexión en paralelo de estos es más robusta que la conexión en serie, esto pues en caso de sombra parcial o falla un panel, no se limita la circulación de corriente al valor de la corriente mínima, como ocurre en el caso serie. Por otro lado, teóricamente la conexión en paralelo implica pérdidas debido a que se debe contar con diodos de protección entre cada miembro del arreglo de paneles, diodos que impiden la circulación de corriente en sentido inverso y que a su vez consumen voltaje. Lo anterior no es claro en los resultados de las pruebas, ya que no existe una diferencia clara entre la conexión en serie y paralelo cuando el arreglo de paneles se enfrenta a las mismas condiciones de radiación solar. Esto se debe a que los paneles fotovoltaicos adquiridos traen incluidos los diodos de protección mencionados, lo que significa que conectando en serie o en paralelo esta pérdida va a ocurrir igualmente. 2) En cuanto a colocar los paneles de forma horizontal o vertical, los resultados parecen ser coherentes. Las pruebas arrojaron una potencia levemente más alta cuando el arreglo de paneles estaba en posición horizontal, que era lo esperado. Lo ideal es que el panel solar reciba sobre toda su superficie una radiación lo más homogénea posible para así no disminuir la corriente que circula por éste, debido a que muchas de sus celdas que lo componen están conectadas en serie entre sí. De esta forma, al encontrarse en posición horizontal (considerando que los paneles adquiridos tienen geometría rectangular) se está minimizando el efecto de

25 la curvatura de la superficie y con ello minimizando también las diferencias de radiación solar que cada una de sus celdas recibe. 3) La elección de los paneles a utilizar presentó la paradoja de optar por aquellos que entregan menor potencia por unidad de área pero con una relación de potencia-peso mayor. Esto indicaría que seguramente serán necesarios más metros cuadrados de paneles para cumplir con los requerimientos de consumo que se establezcan. Como alternativa a esta problemática, existen en el mercado paneles fotovoltaicos con eficiencias excepcionales de alrededor del 26% y de tecnología ultra liviana, los cuales pesan menos de 1 kg por metro cuadrado y que serían la mejor solución para este tipo de aplicación Problemas Encontrados El problema enfrentado más importante de comentar, es el funcionamiento del Power Tracker OutBack MX-60, equipo que está diseñado para trabajar con potencias de entrada muy superiores a las obtenidas por el arreglo de paneles solares con los que se cuenta. Esto implica que para valores de potencia inferiores a 2 W, el Power Tracker no considera útil seguir maximizando la potencia y entra en un régimen de hibernación que entrega potencias igual al cero, lo que dificulta la realización de pruebas ya que demora en volver activarse. Este es un problema significativo del equipo puesto que no es sensible a pequeñas variaciones de potencia, que para efectos del estudio, son relevantes. Además, el Power Tracker realiza cada cierto intervalo de tiempo un barrido para encontrar el punto de máxima potencia, lo que implica que se debe esperar que éste se estabilice antes de registrar lo datos medidos. Esta demora muchas veces significó el cambio de las condiciones atmosféricas, lo que invalidaba la comparación a realizarse. El problema del Power Tracker, a pesar de todos sus inconvenientes y trabas, no impidió que se obtuviesen resultados válidos. Para ello, las pruebas debieron ser realizadas en reiteradas ocasiones. Es importante mencionar además, que se cuenta con un Power Tracker especialmente diseñado para esta aplicación y que no debiera dar ninguno de los problemas antes mencionados Conclusiones 1) Se deben conectar en paralelo los paneles del arreglo fotovoltaico para asegurar robustez al sistema. 2) Los paneles solares deben ser colocados de manera horizontal sobre el globo para maximizar la potencia del sistema. 3) Se optará por utilizar los paneles solares Global Energy P3-30 ya que éstos cumplen con una relación potencia/peso mayor al que entregan los paneles Unisolar FLX-11. 4) Se debe analizar la adquisición de paneles fotovoltaicos de mayor eficiencia y menor peso.

26 3.2 Celda de Combustible Las celdas de combustible nacen del proceso inverso a la electrólisis; de combinar hidrógeno y oxígeno se producen agua, calor y electricidad. A continuación, se presentan las principales características de este tipo de fuente de abastecimiento energético. Características de las Celdas de Combustible 1) Logran una eficiencia alrededor del 60%. A una escala mayor se pueden lograr eficiencias energéticas de alrededor de un 80% con ciclo combinado (utilización del calor liberado en cogeneración). 2) La unidad mínima es una celda produciendo entre 1,2 y 1,3 [V] teóricos y entre 0,7 y 0,9 [V] en vacío. Para alcanzar mayores niveles de voltaje y potencia, se realizan arreglos en serie y paralelo. 3) Estos sistemas son sensibles a impurezas del combustible, principalmente por el platino utilizado en los electrodos. Se recomienda que el H 2 tenga una contaminación menor a 10 [ppm] de CO, especificando como nivel mínimo el de grado IV de pureza. 4) Si el O 2 es puro, produce una mejora en la eficiencia del sistema. Generalmente el O 2 se captura desde el aire en sistemas de generación energética de niveles elevados. 5) Si bien estos sistemas se caracterizan por trabajar entre 40 C y 120ºC, las condiciones límites dependen del fabricante. Si se superan los límites de temperatura, el efecto principal está en la degradación de los materiales que componen la celda de combustible, afectando principalmente a la membrana de intercambio protónico (electrolito). 6) La presión con que se inyectan los combustibles es otra variable importante a considerar. Este efecto tiene ingerencia en los niveles de tensión que entrega la celda. 7) Para la elección de estos sistemas se debe considerar el punto o rango de operación del sistema. Las celdas de combustible se deben hacer trabajar en la zona resistiva de la curva característica, en el cual a variaciones de corriente (peticiones de la carga) el voltaje se mantiene estable. 8) Para estos sistemas, si bien pueden trabajar como una pila convencional, se recomienda utilizar sistemas electrónicos que estabilicen el voltaje entregado. Entre estos se destacan los convertidores DC-DC y DC-AC (inversores). En la Figura 3.7 se presenta la curva característica de una celda de combustible y las pérdidas asociadas a ésta.

27 Figura 3.7: Curva característica de una celda de combustible

28 4 DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA ABASTECIMIENTO El diseño y el dimensionamiento del sistema de abastecimiento energético se basa en los resultados obtenidos de los distintos sistemas de abastecimiento y en la radiación incidente esperada sobre la superficie del globo durante el periodo de evaluación. Para determinar la radiación incidente sobre la superficie del globo se generó un modelo computacional que proporciona la distribución de radiación normalizada, con respecto a la radiación incidente en la parte superior del globo, en la superficie del globo. El valor real de la radiación en este punto se obtiene de los datos de radiación medidos en forma continua en el DGF de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la U. de Chile. De esta manera se obtiene una distribución de radiación ajustada a la realidad en el espacio temporal diario y anual. De esta manera se puede dimensionar el banco de paneles fotovoltaicos necesario para cumplir los requerimientos energéticos. El dimensionamiento del banco de baterías supone las horas de sol reales existentes durante un año. La cantidad de días sin radiación o con una nubosidad considerable se consideró como una variable independiente. Como en esta etapa del proyecto la estrategia de navegación del globo no se encuentra definida, se supuso que el globo se posicionará de acuerdo a la dirección del viento más probable en las distintas épocas del año. Esto se traduce en que el azimut en los cálculos es variable durante el periodo de evaluación. Para incluir esta variable se trabajó con datos de dirección de viento proporcionados por el DGF. Para el cálculo del dimensionamiento se consideró dos alturas de operación, 200 y m. Para la primera se supuso que tanto los datos de radiación como los de viento son los mismos medidos en la superficie. Para el cálculo a m fue necesario realizar un estudio de la variación de estas variables con la altura. 4.1 Modelo de Distribución de Radiación Solar Modelo de Radiación El modelo de radiación solar utilizado es el Modelo de Cielo Despejado de Perrin de Brichambaut. Este modelo es de carácter empírico, muy simple de aplicar, entrega buenos resultados de radiación diaria y permite calcular la radiación global que incide sobre un plano para cualquier lugar, hora del día y época del año. Todas las ecuaciones de este modelo pueden verse en detalle en el Anexo 3. En el cálculo teórico de radiación solar, las variables que determinan la magnitud de la radiación diaria sobre un plano son la latitud del lugar, el día del año, el ángulo de inclinación del plano y el azimut de éste. El ángulo de inclinación del plano (α) corresponde al ángulo entre el plano y la horizontal a éste; el azimut del

29 plano (γ) corresponde al ángulo formado entre su normal y la dirección Norte. Ambas variables se explican gráficamente en la figura 4.1. Figura 4.1: Variables geométricas: a) Ángulo de inclinación del plano, α. b) Azimut del plano γ. El modelo de P. de Brichambaut es un modelo que permite calcular radiación solar sobre un plano. Para calcular la radiación sobre un cilindro, se ha procedido a discretizar su superficie. Así, la superficie se compone por planos longitudinales con diferentes ángulos de inclinación, los cuales están determinados por el ángulo interno β que los subtiende. La figura 4.2 muestra esta situación. Figura 4.2: Discretización del cilindro en planos. Por otro lado, el azimut de la estructura juega un papel importante. Al tratarse de un globo tipo Zeppelín, éste actuará como veleta a la acción del viento, y determinará, por lo tanto el azimut del globo y de cada cada uno de los planos del cilindro. Al respecto, es importante mencionar que el manto del cilindro se divide en planos con azimut γ 180 y azimut γ+180. En la figura 4.3 se aprecia cómo se define el azimut del cilindro.

30 Figura 4.3: Azimut del cilindro Con las variables anteriores determinadas, el modelo permite calcular la radiación solar incidente en cada plano en unidades de [W/m 2 ] Distribución de la Radiación Solar sobre la Superficie del Cilindro Con el cálculo de radiación solar para cada uno de los planos del cilindro es posible determinar la distribución de radiación sobre éste. Las figuras 4.4 y 4.5 muestran cómo se distribuye la radiación solar en los días 1 de Enero y 20 de Julio a la 1 P.M., respectivamente, para distintos azimut del cilindro. Las curvas en ellas mostradas representan la radiación solar en cada plano, normalizada por la radiación horizontal.

31 Figura 4.4: Distribución de la radiación solar sobre la superficie de un cilindro, para un día 1 de enero a las 12 hrs Figura 4.5: Distribución de la radiación solar sobre la superficie de un cilindro, para un día 20 de Julio a las 12 hrs Radiación Solar sobre la Superficie del Cilindro La distribución de la radiación solar sobre la superficie del globo indica la proporción de la radiación solar sobre un plano horizontal que llega a cada plano. Con esta información es posible calcular la radiación solar sobre el cilindro a partir de datos de radiación horizontal reales medidos DGF.

32 Los datos de radiación solar proporcionados por el DGF son datos medidos cada 30 minutos durante todos los días de un año. La locación del piranómetro (instrumento que mide radiación solar) es la azotea del edificio del DGF, ubicado en Av. Blanco Encalada 2002, en Santiago. En la figura 4.6 se puede ver la radiación solar máxima y el promedio diario de radiación (considerando horas de la noche) para cada uno de los días del año En la figura 4.7 se aprecian los máximos promedio mensuales de radiación solar. Figura 4.6: Radiación máxima diaria y promedio de radiación diario de los datos del DGF del año 2003 Figura 4.7: Promedio de radiación solar máxima mensual El algoritmo computacional desarrollado calcula la radiación en el tiempo de acuerdo al siguiente esquema lógico:

33 1) Cálculo de la radiación solar sobre la superficie cilíndrica utilizando el modelo de radiación solar de Perrin de Brichambaut. El algoritmo itera para cada media hora, los 365 días del año. 2) En cada una de las iteraciones, es decir, para un día y hora fijos, se genera un vector de radiación solar incidente en cada uno de los planos de la discretización del cilindro. Se calcula además la radiación incidente en un plano de inclinación 0 (radiación horizontal) para ese día y hora. 3) Normalización del vector de radiación incidente por la radiación horizontal calculada, creando un vector que contiene la distribución de radiación normalizada. 4) Ponderación del vector de radiación normalizada por los datos reales medidos por el DGF para cada día y hora. Se obtiene un vector, para cada día y hora) de la radiación sobre el cilindro. Es importante tener en cuenta que el paso de horas programado en el algoritmo, debe coincidir con el registro de la radiación solar medida con que se cuente. En este caso particular, el registro de la radiación solar del DGF es para cada media hora, por lo que el paso en el programa es de 0.5 hrs. La posición que tomará el globo con respecto al norte estará determinada por la dirección del viento (suponiendo que éste opera como una veleta, sin ningún tipo de control de dirección). Estos datos fueron proporcionados por el DGF y tienen una frecuencia de muestreo es de 30 minutos, al igual que el dato de radiación solar. De esta forma el azimut del cilindro fue incorporado al algoritmo en cada iteración, haciendo de éste una variable dinámica. En la figura 4.8 se ven las direcciones promedio diarias para todos los días del año 2003, según los datos proporcionados por el DGF. Figura 4.8: Valor promedio diario de la dirección del viento en Santiago durante el 2003